Сформулируйте основной закон фильтрации подземных вод. 
Опишите методы определения коэффициента фильтрации и расхода плоского потока подземных вод. 
Назовите требования к питьевой воде. 
Объясните причины агрессивности воды к бетону и металлу

Линейный закон фильтрации

Движение подземных вод в пористых породах (пески, супеси, суглинки) неглубокого залегания имеет параллельно-струйчатый или ламинарный характер, т. е. без разрывов и пульсации, [плавным изменением скорости и подчиняется закону Дарси, экспериментально установленному им в 1856 г. I Основной закон фильтрации — закон Дарси выражается формулой:

Q=KфF= KфFi,

где Qрасход воды (количество фильтрующейся воды в единицу времени), м³/сут;

Kфпостоянная величина для данной породы, характеризующая ее водопроницаемость; эта величина называется коэффициентом фильтрации, м/сут;

F — площадь поперечного сечения потока, м²;

ДH — разность уровней в двух рассматриваемых сечениях, м;

l — длина пути фильтрации, м;

i — гидравлический уклон.

Разделив обе части уравнения на F и назвав — скоростью фильтрации V, м/сут, получим:

V=Кфi.

Это уравнение показывает, что по линейному закону скорость фильтрации прямо пропорциональна гидравлическому градиенту.

Если принять i = 1, то получим V=Кф, т. е. при гидравлически градиенте, равном единице, коэффициент фильтрации численно равен скорости фильтрации.

Формула позволяет определить так называемую кажущуюся скорость фильтрации. Так как вода течет лишь через часа сечения F, равную площади пор и трещин породы, то для определения действительной скорости фильтрации V, м/сут, следует учесть пористость п, выраженную в долях единицы и корректировать расчет: для песков и крупнообломочных пород.

Vд=V/n;

для глинистых ;

Vд=V/nакт,.

где nакт — актив пористость в долях единицы.

Нелинейный закон фильтрации

В крупнообломочных, сильно трещиноватых скальных породах неглубокого залегания при наличии крупных пустот трещин значительной протяженности движение водного потока имеет вихревой или турбулентный вид. Оно характеризуем вихреобразностыо, пульсацией и перемешиванием отдельных струй воды.

Нелинейный закон фильтрации выражается формулой А. А. Краснопольского:

V=Kк,.

где Кк -коэффициент, определяемый опытным путем в поле, м/сут;

i — гидравлический уклон.

Методы определения коэффициента фильтрации

К основным фильтрационным параметрам пород относят коэффициент фильтрации, а также коэффициенты водопроводимости, пьезопроводности и уровнепроводности.

Во всех уравнениях определения движения подземных вод основной расчетной величиной, количественно характеризующей фильтрационные свойства пород, является коэффициент фильтрации Кф м/сут. На его величину, а следовательно, и на пень водопроницаемости рыхлых пород оказывают влияние:

• 1) диаметр пор — с уменьшением диаметра пор уменьшается коэффициент фильтрации;
• 2) количество глинистых частиц — с увеличением количества глинистых частиц, особенно монтмориллонита, Кф уменьшается;
• 3) характер обменных катионов — при наличии двухвалентных катионов (Са₂+, Мg₂+) водопроницаемость и Кф возрастают, а в присутствии одновалентных катионов (Nа+, К+) — уменьшаются. Влияние Nа+, уменьшающее Кф суглинков в десятки и сотни раз, используется на практике для сокращения потерь воды из водохранилищ.

Определение коэффициента фильтрации методом инфилътрации из шурфа. Существует несколько способов для выполнения этой работы (методы А. К. Болдырева, Н. С. Нестерова, Н. К. Гиринского, Н. Н. Веригина, Н. Н. Биндемана и др.). Наиболее простым является метод А. К. Болдырева. Он применяется для определения Кф в грунтах, не насыщенных водой. Метод заключается в следующем. В сухом грунте вырывается шурф, не доходящий до уровня грунтовых вод. Из градуированных судов, поставленных у бровки шурфа, по трубке наливается вода на дно шурфа так, чтобы уровень воды в приямке на дне шурфа оставался все время постоянным — около 10 см. Для наблюдения за уровнем воды на дне шурфа устанавливается рейка. Через каждые 10−30 мин ведут замеры расхода воды на фильтрацию по шкалам сосудов. Опыт проводят до стабилизации расхода воды (в песках 10−20 ч, в суглинках 24−48 ч).

Определив значение установившегося (стабилизировавшаяся) расхода Qуст, м³/сут, и разделив его на площадь дна шурфа F, м², получают среднюю скорость инфильтрации из шурфа м/сут.

Коэффициент фильтрации определяется еще и следующий методами: 1) полевыми работами — откачками; 2) лаборатории ми методами с использованием специальных приборов; 3) эмпирическим формулам.

Определение коэффициента фильтрации откачкой воды из скважин. Определения Кф откачкой воды из скважин дают наиболее точные данные для расчета коэффициента фильтрации. Откачки разделяются на откачки из одиночных скважин и кустовые. I Откачка из одиночной скважины позволяет предварительно Вшить водообильность изучаемых пород. Произвести точный расчет коэффициента фильтрации по данным откачек из одной скважины нельзя, т.к. неизвестна величина радиуса влияния, следующий пункт входящая в расчетные формулы. Кустовые откачки проводятся на специально выбритых опытных участках при глубине залегания водоносного горизонта не более 100 м. Опытный куст состоит из центральнной (опытной) скважины и ряда наблюдательных, располагаемых по одному или нескольких лучам в случае неоднородности водоносного пласта. При четырех лучевой системе расположения скважин один луч проводится о направление потока подземных вод, второй — против направления потока подземных вод третий и четвертый — в направлениях, перпендикулярных к ним. При двухлучевой системе применяются один или два луча, состоящие из двух-трех наблюдательных скважин. Один из лучей проводится вниз по течению подземных вод, второй перпендикулярно направлению потока, Расстояние наблюдательных скважин от центральной рекомендуется применять равным 5; 10; 20; 40; 80 м.

Оценка качества питьевой воды

При оценке подземных вод водоснабжения пользуются ГОСТами. В этой связи питьевая вода должна быть бесцветной, прозрачной, иметь температуру от 4 до 15 °C, не иметь неприятного вкуса и запаха, не содержать болезнетворных бактерий и солей тяжелых металлов. Сухой остаток в воде не должен превышать 1 г/л. жесткость должна быть менее 7 мг-экв/л. Совершенно не допускается в питьевой воде присутствие аммиака и азотистой кислоты, указывающих на фекальную загрязненность. Питьевая вода может содержать не более 0,1 мг/л свинца, 0,05 мг/л мышьяка, 1,5 мг/л фтора, 3 мг/л меди, 5 мг/л цинка, 1 мг/л железа 0,6 мг/л урана, 0,005 мг/л ртути. В воде не должны присутствовать болезнетворные бактерии брюшного тифа, холеры и другая недопустимая патогенная флора. Бактериальное загрязнение оценивается по «коли-титру», который должен быть не менее 300 мл и «коли-индексу», который должен быть не более 3.

Оценка качества технической воды. Вода, предназначен для промышленных целей, должна быть прозрачной, без запаха и мягкой. Вода для питания котлов должна иметь сухой остаток не более 0,3 г/л, содержать хлора мене 200 мг/л, жесткость должна быть не более 3 мг-экв/л.

Агрессивность подземных вод по отношению к бетону

Бетонные сооружения, находясь в соприкосновении с подземными или поверхностными водами, часто разрушаются некоторые химическими соединениями, содержащимися в воде. Это разрешающее действие естественных вод называется агрессивной способностьо вод. В целях увеличения срока службы сооружений необходимо определить степень агрессивности воды.

Сульфатная агрессивность. При повышенном содержании сульфатов происходит кристаллизация в бетоне гипса Са 5О 4−2Н 2О с увеличением объема в 2 раза и образование «цементной бациллы», с увеличенная объема в 2,5 раза. Все это приводит к разрушению бетона.

Магнезиальная агрессивность ведет к разрушению бетона при проникновении в тело бетона воды с повышенным содержанием. При содержании иона более 2000 мг/л вода агрессивна по отношению к бетонным сооружениям в песчаных породах, а при содержании иона свыше 5000 мг/л вода становится агрессивной в суглинках,.

Карбонатная (углекислая) агрессивность проявляется преимущественно в песчаных породах. Карбонатная агрессия возникает [результате действия агрессивной углекислоты СО 2. В процессе взаимодействия с водой из цемента выделяется свободная известь С 03, которая реагирует со свободной углекислотой СО 2 Реакция идет по схеме:

СаСО3 + СО2'+ Н2О = Са (НСО3)2

Образующийся бикарбонат кальция является растворимым и легко выносится из бетона. Максимальным содержанием агрессивен СО₇ является 3 мг/л, при менее опасных породах — 8,3 мг/л.

Кислородная агрессивность вызывается содержащимся в воде кислородом и проявляется преимущественно по отношению к металлическим конструкциям.

При совместном присутствии кислорода с углекислотой агрессивное действие кислорода повышается.

Агрессивное действие подземных вод на металлы (коррозия металлов)

Подземная вода с растворенными в ней солями и газами может обладать интенсивной коррозионной активностью по отношению к железу и другим металлам. Подземные воды обладают коррозионными свойствами при содержании в них также агрессивной углекислоты, минеральных и органических кислот, солей тяжелых металлов, сероводорода, хлористых и некоторых других солей. Мягкая вода действует значительно агрессивней, чем жесткая. Влияние сильнокислых и сильно щелочных вод способствует наибольшему разъеданию металлов. Коррозии способствует повышение температуры подземной воды, увеличение скорости ее движения, электрические токи.